1. Inleiding tot metaal 3D printen en restspanningscontrole

Metalen 3D printtechnologie heeft de afgelopen jaren een snelle ontwikkeling doorgemaakt en wordt nu op grote schaal gebruikt in kritische industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie en medische apparatuur. De belangrijkste voordelen zijn lichtgewicht onderdelen en productie op maat, waardoor de beperkingen van traditionele productiemethoden worden aangepakt. Er zijn echter een aantal belangrijke punten in het 3D printproces die de uiteindelijke kwaliteit van het onderdeel kunnen beïnvloeden, met name restspanning, positionering van het onderdeel, ontwerp van de ondersteuningsstructuur en optimalisatie van het onderdeel. Dit artikel onderzoekt het mechanisme van restspanning bij metaal 3D printen en de bijbehorende controlestrategieën.

2. Mechanisme van genereren van restspanning

Restspanning is een onvermijdelijk bijproduct van de snelle verwarming en koeling die optreedt tijdens het 3D printen van metaal, vooral bij processen zoals Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Elke nieuwe laag materiaal wordt als volgt opgebouwd: de gefocuste laser beweegt over het poederbed, waardoor de oppervlaktelaag smelt en er een metallurgische verbinding ontstaat met de onderliggende laag. De warmte van het smeltbad wordt snel naar het vaste metaal eronder geleid, waardoor het gesmolten metaal in enkele microseconden afkoelt en stolt.

Tijdens dit proces krimpt de nieuw gevormde metaallaag tijdens het afkoelen en stollen. Deze krimp wordt echter beperkt door de vaste structuur eronder, wat leidt tot aanzienlijke schuifspanningen tussen de lagen. Wanneer de laser het metaal bovenop een vast substraat smelt, zorgen het continue smelten en de warmtegeleiding ervoor dat het afkoelende metaal krimpt, waardoor schuifspanningen ontstaan tussen de nieuwe metaallaag en de onderliggende laag.

3. Gevolgen van restspanning

Restspanningen kunnen een destructief effect hebben op de kwaliteit van de geprinte onderdelen. Naarmate het aantal lagen toeneemt, stapelt de spanning zich op en kan leiden tot de volgende problemen:

• Deelvervorming: Geaccumuleerde spanning kan kromtrekken veroorzaken aan de randen van het onderdeel, wat kan leiden tot falen van de ondersteuningsstructuur.
• Scheiding grondplaat: Als het onderdeel een groot contactoppervlak heeft met de basisplaat, kunnen de randen van het onderdeel loskomen van de basis.
• Structurele scheuren: Wanneer de spanning de sterktelimieten van het materiaal overschrijdt, kan er catastrofaal barsten of kromtrekken van het onderdeel of de grondplaat optreden.

Deze problemen zijn vooral merkbaar bij onderdelen met een grote doorsnede, omdat de grotere interface de afstand waarover schuifspanningen optreden vergroot, waardoor de vervorming van het onderdeel of de grondplaat toeneemt.

4. Strategieën voor beheersing van restspanning

1. Structurele optimalisatie in ontwerp

Residuele spanning moet worden overwogen tijdens de ontwerpfase van het product om spanningsaccumulatie te minimaliseren. Ontwerpoptimalisaties omvatten:

• Gebruik van rationele ondersteuningsstructuren: Zorg ervoor dat ondersteunende structuren strategisch worden geplaatst om de stress in evenwicht te houden.
• Optimalisatie van onderdeeloriëntatie: Pas de onderdeeloriëntatie aan om spanningsconcentratie tijdens het afdrukken te verminderen.
• Plotselinge veranderingen in de doorsnede vermijden: Ontwerp onderdelen met geleidelijke veranderingen in doorsnede om spanningsconcentratie te voorkomen.

2. Optimalisatie van procesparameters

• Keuze van de substraatdikte: Het kiezen van de juiste dikte van het basismateriaal kan spanningsopbouw verminderen.
• Substraat voorverwarmen: Voorverwarmen van het substraat, bijvoorbeeld met een voorverwarmingstemperatuur van 80°C bij het printen van 316L roestvast staal, kan thermische gradiënten en spanning verminderen.
• Nauwkeurige regeling van laagdikte en laserparameters: Zorgvuldige controle van deze parameters zorgt voor gelijkmatig smelten en stollen, waardoor de restspanning afneemt.

3. Verbeterde scanstrategieën

Om restspanning tijdens het lasersinteren te verminderen, kan het optimaliseren van het laserscantraject en de manier waarop het metaalpoeder wordt gevuld helpen om de spanning gelijkmatiger te verdelen. De strategieën omvatten:

• Gebruik van gezoneerde scanstrategie: Verdeel het werkgebied in secties om thermische gradiënten te minimaliseren.
• Implementatie van roterende scanmodus: Draai het scanpatroon om plaatselijke opwarmings- en afkoelingseffecten te verminderen.
• Optimalisatie van scanvectorlengte en -richting: Pas de lengte en richting van het scantraject aan om de warmte gelijkmatiger over het product te verdelen.

5. Greenstone-Tech's oplossing voor restspanningsbeheersing

Door systematisch procesonderzoek en parameteroptimalisatie heeft Greenstone-Tech een uitgebreide oplossing voor restspanningscontrole ontwikkeld. Deze oplossing verbetert de dimensionale stabiliteit en de algehele kwaliteit van metalen 3D-geprinte onderdelen en biedt onze klanten betrouwbaardere oplossingen voor additive manufacturing.